車輛電動化帶來的功率級HIL測試應用

作者 : Chroma供稿

硬體在環(Hardware In the Loop,HIL)技術是一種用於測試電子控制單元功能、系統整合和通訊的方法…

在車輛電動化架構中,新增了許多過往在汽油車輛不會出現的零組件,包含電池包/電池模組/電池管理系統、馬達/馬達控制器、交直流/無線充電系統、DC/DC與制熱制冷系統…等。這些元件所須執行的功能也從過往單純的弱電控制,多了強電大功率的行為,也由於汽車電子產品開發週期長、投入測試成本與風險高,如何確保產品開發過程符合功能安全標準一直是車廠與供應商高度關注的議題。

 

EV高壓部件系統。

 

硬體在環(Hardware In the Loop,HIL) 技術是一種用於測試電子控制單元功能、系統整合和通訊的方法,常用於汽車與航空等領域。在車輛元件測試應用上,以模型模擬與待測物相關連的實車元件,在台架上即可形成閉迴路系統進行前期測試。而在電動車(EV)高壓元件逐漸增加情況下,測試需求也由訊號級HIL慢慢轉變為功率級HIL系統。針對上述重要高壓元件進行功率級HIL測試,載入車輛模擬模型的同時,不僅實現過往所需之功能與訊號控制測試,亦將高功率行為驗證包含在內,相較傳統訊號級HIL方案,更完整覆蓋EV高功率元件測試範圍。

 

功率級HIL系統概念圖。

 

以動力馬達系統為例,因應EV零組件整合化設計趨勢,越來越多整車廠與零組件供應商將馬達、馬達控制器與減速機構等元件整合為多合一的電力驅動系統。除了提高車內空間使用率及增加車輛續航里程等優點外,也相對地提高產品在測試程序上的複雜度。若能在開發前期即使用以負載測功機、數據採集器和電池模擬器…等設備組成的電驅動總成測試系統進行驗證,針對電力驅動系統進行整車級別的動力模擬測試,包含最重要的驅動系統效率、堵轉扭矩性能、饋電特性、耐久可靠度等試驗,將可完善車用動力系統於動態實車工況的測試需求,於實車驗證階段前掌握整體驅動控制性能及搭配成車後續可能的各種實際工況表現,節省大量實車路試與問題排查的成本。

 

電驅動測試系統架構。

 

電驅動測試實驗室。

 

再以成車非常重要的上坡起步情境為例,EV通常只有一或兩個固定的減速比,面對超過10%坡度的地下道或是車庫坡道時,可能無法達到上坡起步的要求。其中的關鍵在於如何避免上坡起步時轉矩不足導致車輛下滑、或是起步轉矩過大導致加速太快引起暴衝等事故發生。可透過堵轉試驗確認EV在起步時有足夠的啟動轉矩,而電力驅動系統的轉矩須能在不損壞的前提下穩定持續輸出5~15秒滿足上坡進步條件。

藉由台架試驗確保電機驅動器在可供給最大電流情況下進行輸出扭矩驗證,並可以不同的載重需求進行多次試驗;同時依據此測試結果進一步調整馬達控制器的起步控制策略,確保EV在各條件下都能滿足不同路況包含上坡起步得要求,防止危害事故發生。

 

測試案例:依據堵轉試驗結果可看出電力驅動系統在100Nm扭矩時能持續輸出長達60秒。

 

雖然EV產品的穩定度已越來越高,但相關事故新聞卻也不時頻傳。當這些高壓控制元件快速發展下,促使功能多元化、安全機制複雜化、傳遞訊號量增加與控制判斷容許錯誤時間降低,顯然一般法規並無法涵蓋成車實際運作的複雜行為,因此近年來車輛產業大力推廣的ISO 26262道路車輛功能安全規範成為各車廠與供應商實行的方向。

在ISO 26262中針對產品系統與軟硬體設計安全要求提出所應遵循的內容,於測試驗證部分則提到,無論在任何功能安全完整性(ASIL)等級下,都須進行HIL與故障注入試驗,以確保安全機制於整車層面上的正確性與失效覆蓋率的有效性。

ISO 26262所闡述的HIL測試,可驗證電子控制單元功能、通訊與系統完整性。配合車輛模型運作於控制器閉迴路實時系統中,藉此實現進一步的複雜測試情境,並對各個功能項目訂定故障容許錯誤時間間隔(Fault Tolerant Time Interval,FTTI),確保功能失效時可在故障容許錯誤時間間隔內,有效地檢測出故障並且實施安全機制,避免危害發生。

 

HIL測試需求。

 

安全相關時間間隔示意圖。

 

Chroma功率級HIL方案協助完善ISO 26262流程、利於產品取得ASIL安全等級認證。在標準開發V型流程中右端進行更多驗證工作,在進入成車試驗前即可早期發現問題並修正錯誤,有效降低開發成本並提高測試效率。

(本文由Chroma提供)

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年6月號

 

 

 

 

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